直线电机电磁场的有限元分析及其仿真的实现

基于ANSYS8.0的永磁直线电机的有限元分析及计算学生姓名：指导教师：浙江工业大学信息工程学院电气工程系摘要永磁直线电机是一种具有很高定位精度的新型电机。

不同与其他励磁的直线电机，它采用永磁体作为励磁源。

研究其磁场分布及力特性具有重要意义。

相对于传统的解析法，有限元数值分析可以缩短电机的设计周期及减少设计成本，可对直线电机的磁场及力得出精确的分析。

ANSYS8.0是一种在工程中广泛使用的有限元分析软件，采用该软件中的电磁场分析功能对永磁直线电机的磁场进行有限元的分析和计算，并在此分析的基础上对永磁直线电机的力场做进一步的计算和分析，对永磁直线电机的设计具有重要的工程意义。

通过电磁场的有限元数值分析方法，利用通用有限元分析软件ANSYS8.0建立平板型单边永磁直线电机的有限元模型，分析其2维静态磁场，得到初步的分析结果，并在这个分析的基础上对永磁直线电机的力场进行了进一步的分析，计算直线电机的推力和法向力，结合永磁直线电机的静态磁场，研究了永磁直线电机推力及法向力和电流变化的相互关系，对今后永磁直线电机的设计和研究具有一定的参考意义。

关键词永磁直线电机、有限元、ANSYS、电磁场、推力、法向力- i -Finite Element Analysis and Calcultation of a Permanent Magnet Linear Motor Based on ANSYS8.0Student: Chen Shen Advisor: Peiqiong YuDepartment of Electric EngineeringCollege of Information EngineeringZhejiang University of TechnologyAbstractThe permanent magnet linear motor is a kind of new electrical engineering that has the very high fixed position accuracy.The differents between the permanent linear motor and the type of non-permanent is that it adopts thepermanent be the source of dlux Opposite in traditional resolution method,Finite element analysis can shorten the design period of the electrical engineering and reduce to the design cost,it also can get the analysis of a precision tu the magnetic field and fotce of the linear motor the ansys8.0 is a finitr element analvtical software.Throught the method of the Finite element for the electromagnetic analysis,we use ANSYS8.0 creat a model for the Permanent magnet lineat motor with finite element method.We analysis its 2-D setaic magnetic and get the first result. Then we analysis the force field by finish the analysis of its magetic field We calaulate the thrust and normal force combining the analysis of the permanent magnet linear motor,study the relationship between thecurrent and thrust,normal force.The work for this paper can give some help and advice to the study and design of the permanent linear motorKeywordsPMLSM, ANSYS, FEM,Electromagnetic field, thrust, normal force- ii -致谢在本次毕业设计的过程中，首先要衷心感谢我的指导老师余佩琼，在这一个学期的的毕业设计期间给于我很多的指导和帮助，在我遇到困难的时候，给了我许多有用的建议和提示。

U型无铁芯直线电机是一种新型的直线电机结构，由于它没有铁芯，因此具有较高的功率密度和较低的惯性。

U型无铁芯直线电机的结构设计和电磁场仿真优化是其研究和应用的重要方面。

本文将从以下几个方面对U型无铁芯直线电机的结构设计和电磁场仿真优化进行探讨。

1. U型无铁芯直线电机的结构设计U型无铁芯直线电机的结构设计包括定子、滑块、导轨等部分。

在定子方面，需要考虑绕组的布置、绕组的参数选择、绕组的绝缘等问题。

滑块的设计需要考虑其材料、表面处理、导向方式等因素。

导轨的设计则需要考虑其刚度、平整度、表面硬度等方面。

在结构设计过程中，需要充分考虑U型无铁芯直线电机的整体性能和稳定性，尽可能减小机械振动和噪声，提高运行精度和可靠性。

2. U型无铁芯直线电机的电磁场仿真优化电磁场仿真是U型无铁芯直线电机设计和优化的重要工具。

通过电磁场仿真，可以分析磁场分布、磁通密度、电磁力等参数，从而优化绕组的布置、绕组的参数、磁路的设计等方面。

电磁场仿真还可以帮助分析电机的热场分布，从而优化散热结构，提高电机的工作效率和稳定性。

电磁场仿真还可以分析电机的电磁噪声，帮助减小电机的噪声水平，提高其工作环境的舒适性。

3. 结构设计与电磁场仿真的协同优化U型无铁芯直线电机的结构设计和电磁场仿真是相互关联、相互影响的。

在结构设计阶段，应充分考虑电磁场仿真的需求，为仿真分析提供准确的几何模型和材料参数；在电磁场仿真阶段，应结合结构设计的要求，对仿真结果进行综合分析和优化设计。

通过结构设计与电磁场仿真的协同优化，可以有效提高U型无铁芯直线电机的性能指标，优化其结构和工作参数，提高其整体竞争力和市场应用前景。

U型无铁芯直线电机的结构设计和电磁场仿真优化是其研究和应用的重要方面。

本文从结构设计、电磁场仿真和协同优化等方面进行了探讨，希望对相关领域的研究人员和工程师有所启发和帮助。

在未来的工作中，还可以进一步扩展研究内容，探索更多创新性的方法和技术，推动U型无铁芯直线电机的发展和应用。

河南理工大学毕业设计（论文）任务书专业班级学生姓名一、题目二、起止日期年月日至年月日三、主要任务与要求指导教师职称学院领导签字（盖章）年月日毕业设计（论文）评阅人评语题目评阅人职称工作单位年月日毕业设计（论文）评定书题目指导教师职称年月日毕业设计（论文）答辩许可证答辩前向毕业设计答辩委员会（小组）提交了如下资料：1、设计（论文）说明共页2、图纸共张3、指导教师意见共页4、评阅人意见共页经审查，专业班同学所提交的毕业设计（论文），符合学校本科生毕业设计（论文）的相关规定，达到毕业设计（论文）任务书的要求，根据学校教学管理的有关规定，同意参加毕业设计（论文）答辩。

指导教师签字（盖章）年月日根据审查，准予参加答辩。

答辩委员会主席（组长）签字（盖章）年月日毕业设计（论文）答辩委员会（小组）决议学院专业班同学的毕业设计（论文）于年月日进行了答辩。

根据学生所提供的毕业设计（论文）材料、指导教师和评阅人意见以及在答辩过程中学生回答问题的情况，毕业设计（论文）答辩委员会（小组）做出如下决议。

一、毕业设计（论文）的总评语二、毕业设计（论文）的总评成绩：三、答辩组组长签名：答辩组成员签名：答辩委员会主席：签字（盖章）年月日目录摘要 (1)1 引言 (3)1.1 课题研究目的及意义 (3)1.2 直线电机的研究与发展现状 (5)1.2.1 直线电机的发展 (5)1.2.2 直线电机的应用 (6)1.2.3 直线电机控制技术的成熟 (7)1.3 本文研究的主要内容 (8)2 永磁直线同步电机的工作原理 (9)2.1 直线电机原理 (9)2.2 直线电机的分类 (9)2.2.1 按结构形式的分类 (9)2.2.2按功能用途的分类 (10)2.2.3按工作原理的分类 (11)2.3 直线电机的特点 (11)2.4 永磁同步直线电机的结构 (12)2.5 永磁同步直线电机的工作原理 (13)2.6 本章小结 (14)3 永磁同步直线电机的结构设计 (15)3.1 电机主要尺寸的确定 (15)3.2 电机气隙的选取 (17)3.3 电机永磁体尺寸的确定 (18)3.4 电机槽口的设计 (19)3.5 电机绕组设计 (19)3.6 电机结构设计 (20)3.7 本章小结 (21)4 永磁同步直线电机磁路计算 (21)4.1 磁路计算 (21)4.1.2 动子轭部磁路计算 (24)4.1.3 定子轭部磁路计算 (25)4.2 电路计算 (25)4.2.1线圈绕组匝数的设计 (26)4.2.2 线圈线径的选取 (28)4.2.3 电动机相电阻的计算 (29)4.3 电动机的效率及电动机的电磁损耗计算 (31)4.4 本章小结 (35)5 永磁直线电机的有限元分析基础 (36)5.1 永磁直线电机电磁场理论 (36)5.1.1 Maxwell 方程组 (36)5.1.2 电磁场分析方法 (39)5.2 有限元方法基础 (40)5.2.1 有限元法的应用特点 (40)5.2.2 边界条件 (41)5.2.3 边值问题 (42)5.3 有限元方法计算电磁场问题 (43)5.3.1 有限元法基本原理 (43)5.3.2 有限元法在电磁场中的应用 (44)5.3.3 时步有限元法在电机电磁场中的应用 (46)5.4 本章小结 (46)6 MagNet仿真分析 (47)6.1 永磁直线电机的性能参数 (48)6.2 永磁直线电机有限元模型的建立 (48)6.3 MagNet模型建立与分析 (49)6.4 电机输出推力 (51)6.5 永磁直线同步电机永磁体空载工作点及空载漏磁系数分析 (52)6.6 永磁直线电机反电势的分析 (53)6.7 有限元计算与路的设计计算的比较 (55)6.8 本章小结 (56)7 全文总结及展望 (58)7.2 研究展望 (58)参考文献 (60)摘要在传统的直线驱动场合，都是由旋转电机提供原动力，再由丝杠、丝杆、齿条等中间机构转换为直线运动。

基于Ansoft软件的牵引用直线感应电机的有限元分析李霄;陶彩霞【摘要】直线感应电机已被广泛地应用于城市轨道交通系统.通过Ansoft Maxwell 2D软件,采用有限元方法对牵引用直线感应电机进行二维瞬态电磁场仿真.其模型的建立考虑了道岔处次级感应板不连续的情况,对推力、竖向力及气隙磁场等特性进行了分析,为牵引用直线感应电机设计的优化以及控制方法的改进提供了参考.【期刊名称】《城市轨道交通研究》【年(卷),期】2014(017)003【总页数】4页(P79-82)【关键词】直线感应电机;瞬态电磁场仿真;Ansoft软件;有限元分析【作者】李霄;陶彩霞【作者单位】兰州交通大学自动化与电气工程学院,730070,兰州;兰州交通大学自动化与电气工程学院,730070,兰州【正文语种】中文【中图分类】TM359.4城市的发展对新建城市轨道交通线路的制约条件越来越多，人们对轨道交通的要求也越来越高。

直线感应电机轨道系统比传统感应电机轨道交通系统拥有更小的曲线半径、更强的爬坡能力，易在复杂的城市环境中运行，已成为多种城市轨道交通系统中的一员。

广州地铁4号线、5号线和6号线，以及北京轨道交通首都国际机场线，都选择了这种城市轨道交通系统。

然而，对于直线感应电机而言，存在道岔处感应板不连续、气隙值大、边端效应等问题［1－3］。

本文利用 Ansoft软件的Transient模块，采用有限元方法对直线感应电机在起动、稳态运行及经过道岔处的动态性能进行了分析。

1 牵引用直线感应电机的原理及特性轨道交通一般采用短初级、复合感应板的单边型直线感应电机，其工作原理与旋转感应电机相同（如图1所示）。

初级绕组被安装在列车底部，次级感应板铺设在轨道中心。

由于初级绕组的开断，形成了两个边端。

为了确保运行的安全，初级与次级感应极之间的间隙远远大于旋转电动机的气隙，因此体现出了多种特性。

图1 短初级单边型直线感应电机直线感应电机不同于旋转感应电机的最大特点就是存在边端效应。

永磁直线电机电磁设计与有限元仿真分析永磁直线电机是一种将电能转换为机械能的装置，具有高效率、高速度、高精度等优点，广泛应用于工业自动化、航空航天、医疗器械等领域。

电磁设计与有限元仿真分析是永磁直线电机设计过程中的重要环节，本文将从电磁设计和有限元仿真分析两个方面进行讨论。

首先，永磁直线电机的电磁设计是指通过合理的电磁参数设计来实现电机的性能要求。

电磁设计的关键参数包括磁极形状、磁极材料、磁极间隙、线圈结构等。

其中，磁极形状是影响电机磁场分布的重要因素，常见的磁极形状有平行矩形形、扇形等，根据具体的应用需求选择合适的磁极形状。

磁极材料的选择也是电磁设计的关键，常用的磁极材料包括稀土磁铁、硅钢等，不同的磁极材料具有不同的磁化特性和磁导率，需要根据具体的应用要求进行选择。

此外，磁极间隙和线圈结构的设计也会影响电机的性能，需要根据具体的应用需求进行合理设计。

其次，有限元仿真分析是指利用有限元方法对永磁直线电机进行电磁场仿真分析，以评估电机性能和优化电机设计。

有限元方法是一种数值计算方法，通过将电机的结构离散化为有限个元素，并建立数学模型来求解电磁场分布。

有限元仿真分析可以提供电磁场分布、磁场强度、磁力等参数的预测结果，帮助设计人员了解电机的工作原理和性能特点。

同时，有限元仿真还可以进行参数优化，通过改变电机的设计参数来优化电机性能，如提高功率密度、减小磁场漏磁等。

在进行有限元仿真分析时，需要根据电机的几何结构和材料特性建立有限元模型，并设置合适的网格尺寸和边界条件。

然后，利用有限元软件进行计算，得到电机的电磁场分布和相关参数。

根据仿真结果，可以评估电机的性能指标，如输出转矩、功率密度、效率等，并进行优化设计。

综上所述，永磁直线电机的电磁设计与有限元仿真分析是电机设计过程中的重要环节。

通过合理的电磁设计和有限元仿真分析，可以提高永磁直线电机的性能和效率，满足不同领域的应用需求。

电动机的电磁场分析与有限元仿真技术电动机是一种将电能转化为机械能的装置，广泛应用于工业生产、交通运输、家用电器等领域。

在电动机的设计与优化过程中，电磁场分析和有限元仿真技术起着重要的作用。

本文将就电动机的电磁场分析和有限元仿真技术展开探讨。

一、电动机的电磁场分析电动机工作的基本原理是由电磁场相互作用产生的力使电动机转动。

因此，电磁场分析是了解电动机性能和优化设计的关键一步。

1. 磁场分布分析电动机中的电磁场主要由磁场和电场组成。

磁场分布分析可以通过磁感应强度或磁场密度进行描述。

通过分析磁场的分布情况，可以了解电动机中磁场的强度和方向，为电动机的设计和优化提供重要依据。

2. 磁场定性分析磁场定性分析是研究磁场的分布规律和特性，包括磁场的形状、大小和方向等。

通过磁场定性分析，可以对电动机的磁场特性进行全面了解，并确定电动机的性能指标。

3. 磁场定量分析磁场定量分析是研究磁场的大小和分布范围等具体数值参数的分析方法。

通过磁场的定量分析，可以对电动机的性能参数进行准确评估，为电动机的设计和选型提供科学依据。

二、有限元仿真技术在电动机设计中的应用有限元仿真技术是一种基于数值计算的方法，可以对电动机的电磁场进行精确模拟和分析。

它通过将电动机划分为许多离散的小元素，利用有限元方法求解电动机的电磁场分布和性能参数。

1. 建模与网格划分在有限元仿真中，首先需要对电动机进行建模，并进行网格划分。

建模是将电动机的几何形状和电性质用数学模型进行描述，网格划分是将模型划分为若干个小单元，用于求解有限元方程。

2. 材料特性指定不同材料的电磁性能不同，对电动机的性能有着重要影响。

在有限元仿真中，需要对电动机各部分所使用的材料进行特性指定，包括磁导率、电导率等参数。

3. 边界条件设置边界条件是指对电动机模型的约束条件和加载条件的定义。

在有限元仿真中，需要设置适当的边界条件，以模拟电动机在实际工作条件下的电磁场分布和性能。

4. 电磁场计算与分析有限元仿真通过求解电动机模型中的电磁场分布方程，得到电磁场的分布情况。

电动机的电磁场分析与有限元仿真电动机是将电能转换为机械能的设备，广泛应用于各个领域。

为了更好地提高电动机的设计性能和工作效率，电磁场分析与有限元仿真技术成为了不可或缺的工具。

本文将介绍电动机的电磁场分析方法，并探讨有限元仿真在电动机设计中的应用。

一、电磁场分析方法1. 理论分析方法理论分析方法是电动机设计的基础，在设计前的理论分析阶段，可以通过数学模型来推导电动机的电磁特性。

例如，可以利用麦克斯韦方程组来建立电动机的电磁场模型，进而分析电磁场的分布情况以及电磁力的大小。

2. 简化模型分析方法在实际设计中，电动机的结构往往非常复杂，不易直接建立精确的数学模型。

因此，可以采用简化模型分析方法。

通过对电动机结构进行合理的简化，可以将其分解为若干个简单的部分，然后进行独立的电磁场分析。

最后将各个部分的电磁场结果进行叠加，得到整个电动机的电磁场分布情况。

3. 实验验证方法在设计完成后，还需要通过实验验证电磁场分析结果的准确性。

可以利用磁场感应传感器等设备进行实际测量，然后与理论分析结果进行对比，以验证电磁场分析和预测的准确性。

二、有限元仿真在电动机设计中的应用1. 有限元建模有限元方法是一种常用的数值计算方法，可以建立电动机的三维模型，并对其进行电磁场分析。

通过将电动机结构离散为若干个小单元，可以对每个小单元进行求解，再将各个小单元的结果进行叠加，得到整个电动机的电磁场分布情况。

2. 网格划分与边界条件在进行有限元仿真前，需要对电动机进行网格划分。

将复杂的电动机结构划分为若干个小单元，通过合理地选择网格数量和精度，可以得到准确的仿真结果。

同时，还需要设置合适的边界条件，包括电流边界条件、电压边界条件等，以模拟电动机的实际工作状态。

3. 结果分析与优化有限元仿真可以得到电动机的电磁场分布情况，可以通过对仿真结果的分析来评估电动机的性能。

例如，可以分析电磁场的强度分布、磁通密度、磁场梯度等参数，以评估电动机的工作效率和性能损耗。

电机电磁场仿真与优化方法电机是现代工业中广泛应用的一种重要设备，它通过电磁场的作用来实现能量转换。

因此，电机电磁场仿真与优化方法显得尤为重要。

本文将探讨电机电磁场仿真的相关技术和优化方法，并分析它们在电机设计中的应用。

1. 电机电磁场仿真技术电机电磁场仿真是通过数值计算的方法来模拟电机内部的电磁场分布情况，以实现电机设计的优化和性能评估。

在电机设计过程中，通过电磁场仿真可以事先预测电机的性能表现，节省了大量的实验成本和时间。

目前，常用的电机电磁场仿真技术包括有限元法（Finite Element Method，FEM）、边界元法（Boundary Element Method，BEM）和有限差分法（Finite Difference Method，FDM）等。

其中，有限元法是最为常用的一种方法，它通过将电机的结构离散化为有限数量的单元，求解每个单元内的电磁场分布，最终得到整个电机内的电磁场分布情况。

2. 电机电磁场仿真优化方法在电机设计过程中，通过电磁场仿真不仅可以评估电机的性能，还可以进行优化设计，以提高电机的效率、降低能耗和噪音。

电机电磁场仿真优化方法主要包括形状优化、材料优化和线圈设计等。

形状优化是指通过改变电机的结构形状，如转子槽型、绕组分布等，来实现电机性能的优化。

材料优化则是通过选择合适的磁性材料，以提高电机的磁导率和磁能密度，从而提高电机的效率。

线圈设计是指通过合理设计电机的绕组类型、导线绕组方式和匝数等参数，来优化电机的电磁场分布和效率。

3. 电机电磁场仿真与优化应用分析电机电磁场仿真与优化方法在电机设计中的应用已经得到了广泛的应用。

通过电磁场仿真，设计工程师可以快速、准确地评估电机的性能参数，为后续的工艺制造和试验验证提供依据。

在电机的优化设计过程中，电磁场仿真可以指导设计人员进行结构和材料的选择，以实现电机性能的最大化。

综上所述，电机电磁场仿真与优化方法是电机设计中必不可少的重要技术。

电磁场有限元仿真的高速直线电机一、简介高速直线电机是一种最近备受关注的电机类型，它具有高速、高精度、高力密度等特点，广泛应用于数控机床、印刷设备、风力发电、电梯等领域。

由于其特殊的结构和工作原理，传统的电机设计方法已经无法满足其发展需求，因此电磁场有限元仿真成为了高速直线电机设计中的重要工具。

二、电磁场有限元仿真的意义对于高速直线电机来说，电磁场有限元仿真具有重要的意义。

通过仿真可以更好地理解电机的工作原理和特性，为电机的优化设计提供参考。

仿真可以直观地观察电机在不同工况下的电磁场分布、磁场强度等参数，为电机的性能预测和分析提供依据。

仿真还可以帮助设计人员快速评估不同设计方案的优劣，加快设计周期，降低成本。

三、电磁场有限元仿真的原理电磁场有限元仿真是利用电磁场有限元软件，将电机的结构和工作原理建立为二维或三维的有限元模型，通过求解Maxwell方程组，得到电机在不同工况下的电磁场分布和参数。

在仿真过程中，需要考虑电机的结构、材料特性、绕组接口、气隙磁路等因素，以准确地模拟电机的电磁场。

四、电磁场有限元仿真的挑战尽管电磁场有限元仿真在高速直线电机设计中具有重要的意义，但是也面临一些挑战。

高速直线电机通常具有复杂的结构和多种工况，仿真模型需要考虑多种因素，计算量大，耗时长。

电机的非线性、饱和等特性也增加了仿真的难度。

仿真结果的准确性和可靠性也是一个关键问题，需要设计人员具有丰富的经验和深厚的理论功底。

五、个人观点对于电磁场有限元仿真的高速直线电机，我认为在未来的发展中，应该加强仿真软件的开发，提高仿真效率和准确性。

设计人员也需要不断提升自身的专业能力，充分理解电机的工作原理和特性，结合仿真结果进行合理的设计优化。

另外，也应该加强仿真结果与实际测试的验证，不断完善仿真模型，提高仿真的可信度。

总结通过上述对电磁场有限元仿真的高速直线电机的探讨，我们可以看到，电磁场有限元仿真在高速直线电机设计中扮演着重要的角色。

电磁场的有限元分析与模拟电磁场是现代社会无法避免的元素，它涉及到我们生活中很多领域，比如通讯、能源、交通等等。

漫步在街头巷尾，随处可见的电线杆和变电箱就是它们的实际表现。

为了更好地掌握电磁场对事物的影响，研究人员利用有限元分析与模拟技术，对电磁场的性质进行深入研究。

有限元分析与模拟技术是一种现代化的数值计算方法。

它的核心思想是将计算区域分割成许多小的元素，对局部进行具体计算，并将它们组装成一个完整的物理模型。

在电磁场模拟中，这种方法被广泛应用，因为它既可以针对复杂的结构而进行计算，又可以精确地测量电场、磁场、电荷等物理因素。

在有限元分析过程中，一个研究者通常需要先定义物理模型。

比如他可能要研究一个特定的电磁场，他就需要定义电场、磁场等各种物理元素的数值变量，以及它们在计算区域内的位置、形状以及与其他物理元素的关系等等。

接下来，他通常会将区域分割成许多小的元素，这些元素被称为离散单元。

研究者会对每一个离散单元应用基本的电磁场方程进行求解，并将结果存储在计算机中。

最后，他会通过计算机程序将这些分散的结果组装成一个完整模型。

这个模型可以帮助他分析和预测电磁场的行为，例如电场、磁场的强度、分布、变化等等。

为了更好地理解有限元分析与模拟技术的应用，我们可以以一个实际的例子来解释。

比如一个为了通讯目的而建设的卫星天线，这个天线的结构非常复杂，它包含了许多不同的组件，如喇叭、反射器等等，另外还要考虑材料的导电性等因素。

在这种情况下，有限元分析与模拟技术就可以很好地帮助工程师解决问题。

他可以将整个卫星天线分割成大量的小离散单元，并对每个单元进行电磁场计算。

通过这种方法，工程师可以非常准确地预测电磁场在天线中的传输和变化，并在其基础上做出最优化的设计方案。

当然，有限元分析与模拟技术不仅仅在工程领域中有着广泛的应用，其在其他领域中也起到了非常重要的作用。

比如在生物医学中，人类身体中电磁场的分布和作用也是研究的热点之一。

基于有限元分析的电机联合仿真方法研究左美洋;李久福【摘要】采用有限元分析方法对电机进行联合建模仿真,充分考虑电机与控制系统的耦合特性,分析了定子电流、电磁转矩、转速跟随等系统动态响应特性,同时得到了电机在相应的控制策略下的磁场分布、饱和特性等电机本体电磁场瞬态特性.比较电机联合建模的仿真结果与基于电机数学模型的仿真结果,联合模型既可分析电机的外部电源激励电路,又可分析电机内部的电磁现象和反应,对电机性能实现精确分析.【期刊名称】《山东电力技术》【年(卷),期】2015(042)006【总页数】5页(P36-40)【关键词】有限元方法;联合建模;耦合分析【作者】左美洋;李久福【作者单位】国网山东省电力公司济南供电公司,济南 250001;山东同圆设计集团有限公司,济南 250001【正文语种】中文【中图分类】TM343在常规的电机设计中，为保证准确性，需要对磁场进行计算与分析。

而在电机电磁场计算方法中，有限元法被认为是最有效的数值解法之一。

有限元法的特点是适用于求解各种形式（几何上、物理上）复杂的问题，精度高，通用性强，且适用于采用电子计算机方式，用来求解电磁场问题较电工行业中常用的图解法、电解槽法等优越。

有限元法在电磁计算中广泛应用，除了上述有限元法本身的特点外，还来自于各种有限元法电磁计算商业化软件的不断推陈出新。

在电机研发领域，有限元分析软件可为产品的设计和优化提供最快捷，最可靠的依据。

实际工程中，电机本体以及控制系统的共同作用影响电机的运行性能，同时他们之间也存在相互的耦合影响［1］，但是目前，由于计算机资源和仿真工具的限制，在对电机及控制系统的设计和仿真分析过程中，多未考虑电机和控制系统的耦合影响，而采用单一的建模方法。

例如，分析异步电机控制系统通常将电机简化为数学模型，控制系统电路模型的端部效应、饱和特性无法进行物理模拟，导致仿真分析精确度降低，缺乏工程指导意义；而对电机本体设计多忽略电机控制策略而采用电机物理模型做电磁场分析，特定控制策略下的系统性能分析无法实现。

基于ANSYS的永磁直线同步电机的电磁仿真与分析金晓华【摘要】Analysis and calculation of electromagnetic fields are regarded as a central premise of electrical machinery design. This paper attempts to analyze the magnetic Helds of permanent magnet linear synchronous motor （PMLSM） by using ANASYS, a finite element analysis software tool. The simulation and analysis of the ANASYS provide distribution characteristics and law of electromagnetic fields of the inner side of PMLSM. And then force analysis of PMLSM is conducted by adopting Maxwell stress tensor method and virtual work method, aimed at providing a theoretical basis for impreving the force ripple of PMLSM.%电磁场分析计算是电机设计的重要前提，应用ANSYS有限元分析软件对一台永磁直线同步电机电磁场进行分析．通过ANSYS软件的仿真与分析，获得永磁直线同步电机内部电磁场分布特点和规律，再结合麦克斯韦应力张量法和虚功法对永磁直线同步电机进行推力分析，为改善永磁直线同步电机的推力波动提供重要的理论基础．【期刊名称】《南京工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(010)002【总页数】5页(P1-5)【关键词】永磁直线同步电机;ANSYS;有限元;推力波动【作者】金晓华【作者单位】南京工程学院电力工程学院,江苏南京211167【正文语种】中文【中图分类】TM359.4永磁直线同步电机是直接产生直线运动的电磁装置，它可以看成是从旋转电机演化而来，设想把旋转电机沿径向剖开，并将圆周展开成直线，就得到了直线电机［1］，具有高速、高加速度、定位精度高和行程不受限制等优点，广泛应用于数控机床进给系统.但是永磁直线同步电机自身独有结构特点，其空载反电动势波形、端部效应、齿槽效应等，较易产生推力波动.推力波动问题是直线同步电机在实际应用中的关键点，传统的磁路法、图解法等很难精确计算直线电机电磁场量的分布，更不能精确求得其推力［2］.为从源头解决永磁直线同步电机的推力波动问题，本文将借助于有限元法求得电磁场的近似解.以永磁直线同步电机为模型计算电机的电磁场，其具体参数为:电机永磁体部分采用钕铁硼，其磁感应矫顽力Hc为870 kA/m;电机槽数为12槽;相数3;气隙0.8 mm;槽宽8 mm;槽深25 mm;齿间距15 mm;极距14 mm;永磁体高4 mm;永磁铁宽14 mm;永磁铁长120 mm;铁心高度42 mm;铁心长度180 mm.1 永磁直线同步电机电磁场计算为了建立合适的电磁场分析模型，根据永磁直线同步电机的特点和实际计算需要，将其作一定的假设［3-4］:1)磁路为线性，不考虑磁饱和效应;2)初级铁芯表面光滑;3)动子轭和定子轭部分各向磁导率同性，分别为μ1和μ2;4)永磁体X方向和Y方向上的磁导率等于空气隙磁导率μ0，且所有部分电导率为0;5)忽略Z轴方向磁场变化，各电流仅在Z轴方向流动，即只有Z向分量，因此，将电机实际三维场转化为平面二维场的问题进行分析．应用ANSYS软件计算电机的电磁场，首先用命令流形式编写了永磁直线同步电机的电磁场计算程序，程序分为前处理、求解、后处理三个部分.1.1 前处理选择单元类型为二维实体单元PLANE53，选择国际单位制(MKS)作为电磁场分析的单位制，定义空气\初级铁心\次级铁心\永磁体\线圈的材料属性，其中初级铁心为非线性材料(硅钢片DW310-35)，定义电机模型尺寸的相关参数.在直线电机中，由于纵向端部的存在，磁路不再呈现周期对称性，要准确计算直线电机的磁场分布，必须对整个初级和次级进行建模.此外，由于直线电机的敞开式结构，除气隙外，模型中还应该包括适当的介质——空气，先建立直线电机的几何模型，实现智能剖分网格，然后选择需要精细剖分的区域进行网格细剖，这样，就形成了直线电机的有限元分析模型，如图1所示.图2是局部剖分图，从中可以看出，电机模型的初级扼靠近空气部分划分比较均匀，越靠近线圈部分，划分的越细密，这样有利于进行更细致的求解.1.2 求解首先在有限元分析模型的边界节点处加载边界条件.在图1所示的直线同步电机模型中，将长端边界设置为一类边界条件，Az=0;将短端边界设置为周期性边界条件，且两端相等.通过将短边设置为周期性边界条件，可减小计算的工作量.然后为绕组加载电流源密度，考虑到永磁同步直线电机作为数控机床的精密伺服元件，在对电机进行矢量控制策略时，加载的电流源密度要符合控制策略.求解时需选择合适的求解直线电磁场问题的求解器，进行电磁场求解.1.3 后处理绘出二维磁力线分布图，如图3所示.由图可知，入端磁力线比出端磁力线稀疏，这正是边端效应的真实反映.磁力线经过电机扼部、电机齿部进入空气隙，并穿入次级导轨，再从另一个电机齿部进入电机扼部，最终完成一个极的磁通线闭合，这个过程是与普通旋转电机理论相符合的.通过选择查看磁场密度的矢量图后，可看到模型中的磁密矢量的大小和方向，如图4所示，图中颜色强度的变化代表模型中不同部位磁感应强度的大小，本文研究的永磁直线同步电机的大部分气隙磁密值约在0.61 T左右.2 推力分析推力是永磁直线同步电机非常重要的性能参数指标.在电磁场理论中，计算电磁力的基本方法有麦克斯韦应力张量法(Maxwell stress tensor，简称 MX)和虚功法(virtual work method，简称 VM)［4-6］.2.1 麦克斯韦应力张量法［7］根据麦克斯韦的观点，可以把作用在媒质任意区域上的体积力归结为这个区域表面S所受到的张力．如果两种媒质的磁导率为μa和μb，则在磁场中作用于物体表面上的力［4］为式中:Bn为磁通密度在S平面的法向量;Ht为磁场强度在S平面的的切向量，力的方向由磁导率大的介质指向磁导率小的介质．当两种介质分别是铁磁材料与空气时，力的表达式变为且F的方向总是由铁芯指向空气．2.2 虚功法虚功法是基于能量守恒原理与虚位移原理的一种计算电磁力的方法．当电磁装置的某一部分发生微小位移时(既可以是真位移，也可以是虚位移)，如在恒电流或恒磁链的条件下，整个系统的磁能会随之变化，则该部分就会受到电磁力作用．电磁力的大小等于单位微增位移时磁共能的增量(电流约束为常量)或单位微增位移时磁能的增量(磁链约束为常量)．当用有限元方法计算并假设磁链约束为常量时，用矢量磁势计算比较方便．磁场中物体所受力可表示为式中:Wm为磁场储能;ψ为磁链;x为位移;xk为虚位移．2.3 推力分析ANSYS软件包可方便地自动应用麦克斯韦应力张量法和虚功法计算得出电机模型的推力.在软件中定义定子电流的初始相位角和动子位移均为0，可得到两种计算方法下的推力仿真计算结果，如图5、图6所示，是所仿真分析的直线电机在气隙从0.5 mm变化到1.0 mm时的推力比较结果.通过图5和图6的仿真结果可以看出，麦克斯韦应力张量法和虚功法直线电机的推力计算的结果一致，当电机气隙从0.5 mm逐步增加到1.0 mm时，定位力也逐步增加.由于工艺要求和推力优化的角度考虑，选择气隙0.8 mm为最佳参数.通过获取不同气隙时的定位力，合理改变电流，这样可改善直线电机因气隙发生变化而导致的稳定性.在优化电机尺寸下获取电机的磁链数据，如图7所示，三相磁链为正弦波，且对称，这与永磁直线同步电机的工作原理一致.当电机工作电流增加至10 A时［8］，计算此时的永磁直线电机的推力，如图8所示，推力约为300 N左右，且波动比较小，可保证直线同步电机的稳定运行.此外，由图还可知，推力波动是位置的周期函数，推力波动的幅值随初级电流的增加而增加.由此可见，永磁直线同步电机的端部效应所引起的推力波动特性是一种周期性时变函数.另外，从图8还可知，采用虚功法仿真分析比麦克斯韦应力张量法分析得出的推力计算结果大致多10 N的力，且随着电角度的变化始终保持比较稳定的差值，这是与建模时电机模型的网格划分精度相关的，在提高网格划分精度后，两者的差值将会进一步缩小.3 结语本文利用ANSYS软件，首先建立永磁直线同步电机的有限元仿真模型，采用ANSYS软件分析了永磁直线同步电机内的磁场分布，并用麦克斯韦应力张量法和虚功法优化了定位力，计算有载时推力，为永磁直线同步电机的设计、优化以及推力控制和改善提供了有益参考.参考文献:【相关文献】［1］叶云岳.直线电机原理与应用［M］.北京:机械工业出版社，2000.［2］林健，左健民，汪木兰.直线电机应用于高速加工的关键技术［J］.现代制造工程，2007(4):114-118.［3］许智斌，方进，赵佳.直线感应电机的有限元仿真与分析［J］.微电机，2010，43(5):6-9. ［4］汤蕴缪.电机电磁场的分析与计算［M］.北京:机械工业出版社，2010.［5］戴魏，余海涛，胡敏强.基于虚功法的直线同步电机电磁力计算［J］.中国电机工程学报，2006，26(22):110-114.［6］黄明星，叶云岳.永磁电励混合励磁直线同步电机磁场的有限元分析［J］.机电工程，2004，21(11):34-38.［7］李庆雷，王先逵，吴丹.永磁同步直线电机推力及垂直力的有限元计算［J］.清华大学学报，2000，40(5):20-23.［8］戴魏，余海涛，胡敏强.直线同步电机运行分析［J］.电机与控制学报，2007，11(3):240-243.。